基于STM32的孕婦安全監(jiān)護設(shè)備開發(fā)

梁金梅, 程琪彬，劉持標

（1.三明學院 信息工程學院，福建 三明365004；2.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用福建省高校工程研究中心,福建 三明365004）

全面二胎政策帶來的生育高峰， 使得孕婦人群不斷擴大， 孕婦是需要被照顧監(jiān)護的特殊群體，卻因為社會發(fā)展的需要又不得不在懷孕期間或多或少的投入到工作之中， 使得孕婦在獨處的時間內(nèi)安全問題得不到保障給家人帶來極大擔憂[1]。目前市場上針對孕婦的可穿戴式設(shè)備主要是為了解決孕吐或方便胎兒產(chǎn)檢等方面問題[2-3]，卻從未擁有一款針對孕婦自身安全問題進行監(jiān)護的產(chǎn)品，因此開發(fā)一款可隨時隨地監(jiān)護孕婦安全的便攜設(shè)備勢在必行。

本文開發(fā)的孕婦監(jiān)護設(shè)備主要由硬件終端、Web 服務(wù)器端的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及Android 客戶端APP 三部分組成。硬件終端即孕婦隨身攜帶的監(jiān)護設(shè)備，用于孕婦所處環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、身體特征的監(jiān)測、地理位置的定位及是否發(fā)生碰撞的監(jiān)測。Web 服務(wù)器運行在云服務(wù)器端，可供系統(tǒng)管理員對所有設(shè)備進行用戶管理和數(shù)據(jù)的查閱。Android 客戶端供孕婦自己及家人實時查看終端監(jiān)測的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)發(fā)生異常，服務(wù)器端即時通告用戶，從而實現(xiàn)了遠程監(jiān)護孕婦安全的功能。下面將從系統(tǒng)總體組成、設(shè)備的硬件設(shè)計、Web 服務(wù)器端和Android 客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)四個方面做詳細介紹。

1 系統(tǒng)總體組成

如圖1為孕婦安全監(jiān)護設(shè)備系統(tǒng)總體框圖。其中終端硬件部分設(shè)計成可穿戴式設(shè)備，以STM32微處理器作為核心[4]，連接溫度傳感器用于采集孕婦所處的環(huán)境數(shù)據(jù)，心率傳感器實時檢測孕婦的心率，碰撞傳感器可檢測孕婦是否發(fā)生摔跤或碰撞，GPS 模塊可實時定位孕婦所處位置，硬件終端采集的數(shù)據(jù)通過GPRS 無線通信模塊傳輸?shù)絎eb 服務(wù)器端進行管理。Web 服務(wù)器的運行是基于云服務(wù)器的環(huán)境，采用SSM（即Spring + Spring MVC + MyBatis）框架開發(fā)[5]，實現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)管理、用戶管理、用戶設(shè)置等功能。Android 客戶端基于一款支持HTML5 的集成開發(fā)環(huán)境HBuilder 開發(fā)[6]，實現(xiàn)了可視化的數(shù)據(jù)查閱、設(shè)備綁定、安全通告等功能。圖2顯示了Web 服務(wù)器端和Android 客戶端總體功能。

圖1 孕婦監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)總體框圖

圖2 孕婦監(jiān)護設(shè)備系統(tǒng)軟件功能框圖

2 孕婦監(jiān)護設(shè)備的硬件設(shè)計

硬件終端的設(shè)計主要包括原理圖的設(shè)計和PCB 電路板的制作及布線。本文采用Altiumdesinger軟件進行電路設(shè)計， 圖3為孕婦監(jiān)護設(shè)備的硬件原理圖。該硬件終端組件包括STM32 微處理器、GPRS 無線通信模塊、心率傳感器、溫度傳感器、GPS 模塊、電源模塊等。

圖3 終端硬件原理圖

2.1 STM32 微處理器

STM32 微處理器采用STMF103系列芯片， 它是STM32F103 系列中高性能、 高配置的Cortex-M3 內(nèi)核32 位處理器，它的尺寸僅為10 mm×10 mm×1.4 mm， 適合用于便攜設(shè)備。包含2 個12 位的ADC 和51 個通用IO 口， 工作頻率能達到72 MHz，能對各類信息進行高效處理，并具有低功耗、睡眠模式、停機和待機模式， 大大提高了設(shè)備的續(xù)航能力。本設(shè)計中主要用微處理器內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換器、定時器、多功能雙向的I/O 口等功能， 圖4為STM32 微處理器的原理圖。

圖4 STM32 微處理器原理圖

2.2 GPRS 模塊

本文選取GPRS 模塊作為無線通信模塊， 該模塊可以保證孕婦在戶外與服務(wù)器間的通信不間斷。GPRS 應(yīng)用被激活后，將一直保持在線，類似于無線專用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。硬件上GPRS 模塊的U_TXD和U_RXD 發(fā)送接收引腳需與STM32 微處理器連接。GPRS 模塊的軟件實現(xiàn)主要通過AT 指令集的方式。在模塊啟動后首先綁定云服務(wù)器IP 地址及端口號，與服務(wù)器建立連接；其次將傳感器采集的心率、溫度等數(shù)據(jù)每2 s 向服務(wù)器發(fā)送一次，圖5為GPRS 模塊用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相關(guān)AT 指令實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的主要代碼。

圖5 GPRS 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的主要代碼

2.3 心率傳感器

心率傳感器是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。其基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量的，主要由光源和光電變換器兩部分組成。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（500～700nm）的二極管。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發(fā)生變化，此時由光電變換器接收人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)化成電信號并將其放大和輸出[7]。硬件上心率傳感器的數(shù)據(jù)輸出引腳必須與STM32 微處理器的ADC 通道連接。傳感器將采集的模擬信號傳輸給STM32 微處理器，微處理器內(nèi)部的ADC再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過簡單計算可得到心率值。

2.4 GPS 模塊

GPS 模塊采用的ATGM336H-5X-3X， 該型號跟蹤靈敏度為-162 dBm，定位精度為2.5 m，首次定位時間為32 s，且功耗低。硬件上GRS模塊的U_TXD 和U_RXD 發(fā)送接收引腳需與STM32 微處理器連接，圖6為GPS 模塊原理圖。GPS 模塊可獲取到孕婦所在位置的經(jīng)度值和緯度值，將該數(shù)值發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器通過調(diào)用地圖提供的API 可精準定位出孕婦所在位置。

圖6 GPS 模塊原理圖

2.5 碰撞傳感器

碰撞傳感器采用的是碰撞開關(guān)又稱限位開關(guān)、行程開關(guān)，屬于接觸式機械開關(guān)。當發(fā)送碰撞時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合，由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛碗姍C。本文通過接收碰撞傳感器的高低電平判定孕婦是否發(fā)生碰撞。

3 Web 服務(wù)器端的設(shè)計與實現(xiàn)

服務(wù)器端的運行基于阿里云服務(wù)器的環(huán)境，即在阿里云服務(wù)器上搭建Tomcat 服務(wù)器，這樣便于服務(wù)器管理員隨時隨處登錄后臺查詢管理數(shù)據(jù)。本文Web 服務(wù)器的實現(xiàn)采用SSM 框架 （即Spring +Spring MVC + MyBatis），這個是繼SSH 之后，目前比較主流的Java EE 企業(yè)級框架[5]。

Web 服務(wù)器端主要包括用戶管理、 數(shù)據(jù)查看與管理、 用戶信息反饋等功能。圖7界面展示了Web 服務(wù)端的所有功能列表及終端數(shù)據(jù)的查看。Web 服務(wù)器數(shù)據(jù)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫管理， 表項包含了數(shù)據(jù)表、設(shè)備表、用戶表、用戶反饋表等。服務(wù)端另外一個重要功能就是孕婦設(shè)備終端數(shù)據(jù)異常時，向客戶發(fā)送危險通告。服務(wù)端收到的終端數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時判定當前孕婦遇到危險情況，會向綁定了該孕婦設(shè)備的所有客戶以短信的形式發(fā)送危險通告， 該功能的實現(xiàn)需要通過云服務(wù)器控制臺設(shè)置短信服務(wù)。

圖7 Web 服務(wù)器端數(shù)據(jù)查看界面

4 Android 客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)

Android 客戶端的開發(fā)采用HBuilder 集成開發(fā)環(huán)境，HBuilder 是DCloud（數(shù)字天堂）推出的一款支持HTML5 的Web 開發(fā)IDE。本文Android 客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互主要采用AJAX 技術(shù)[8]，即客戶端向服務(wù)器發(fā)送AJAX 請求并解析服務(wù)器響應(yīng)的數(shù)據(jù)?？蛻舳艘援惒椒绞綇姆?wù)器端獲取數(shù)據(jù)。圖8為Android 客戶端以POST 方式向服務(wù)器請求心率數(shù)據(jù)的核心代碼。

圖8 Android 客戶端AJAX 請求核心代碼

Android 客戶端主要實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備綁定、安全通告等功能。用戶注冊并登錄成功之后，通過掃碼綁定相關(guān)設(shè)備，可實時查看當前孕婦身處環(huán)境溫度值，觀察孕婦心率，實時定位孕婦所處位置，也可查看某一項數(shù)據(jù)一段時間內(nèi)的變化情況。圖9為客戶端各項數(shù)據(jù)的實時顯示，圖10 以折線圖的形式顯示心率數(shù)據(jù)的變化。

圖9 客戶端實時數(shù)據(jù)圖

圖10 心率數(shù)據(jù)折線圖

5 結(jié)論

本文開發(fā)的孕婦監(jiān)護設(shè)備是一款便攜的隨身設(shè)備， 同時配套了對應(yīng)的Web 服務(wù)器管理系統(tǒng)及Android 客戶端應(yīng)用App。孕婦可隨身攜帶該設(shè)備， 孕婦自己及家人通過Android 端App 邦定設(shè)備后，可實時監(jiān)測孕婦所處的環(huán)境及孕婦身體特征，若遇到環(huán)境不宜、身體特征異?；蚺鲎驳任ｋU情況，會即時發(fā)送通告，家人通過App 定位到孕婦所在位置便可采取施救措施，這就為孕婦提供了非常好的安全保障。隨著孕婦群體的激增，用戶對該類產(chǎn)品的需求越來越大，因此開發(fā)該款設(shè)備具有重大的應(yīng)用價值和市場前景。本設(shè)備作為可穿戴式設(shè)備在硬件功耗方面還存在不足，下一步的研究目標是低功耗的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 通訊技術(shù)。